работы (лабы 9 вариант, курсачи 1.6 и 2.4, практики варианты 9, 10) / книжки по ЭБЦС FPGA Verilog / Методичка для лабораторных работ Узлы и устройства

Рис. 4.5. Последовательность тестового сигнала F

3. Провести исследования триггера в режиме макетирования. В качестве тактового сигнала использовать сигнал внешнего генератора. Сигналы со входов и выхода триггера и тактовый сигнал вывести на контакты разъема.

Содержание отчета

Отчет должен содержать следующую информацию:

1. Схему комбинационного узла, формирующего последовательности тестовых сигналов, оформленную с учетом требований ГОСТ.

2. Схемные файлы проектов исследования D-, RS-, JK- и Т-триггеров. Результаты их функционального моделирования.

3.Описание процесса макетирования. Скриншоты полученных осциллограмм.

4.Выводы по работе.

31

Лабораторная работа 5

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕГИСТРОВ

Цель работы – исследовать особенности проектирования регистров различного типа, закрепить навыки синтеза и экспериментального исследования узлов в среде Quartus II.

Краткие теоретические сведения

Регистры – это узлы последовательностного типа, выполняющие операции приема, выдачи, хранения, сдвига, поразрядные логические операции. Регистры строятся на базе триггеров и логических элементов.

Главным классификационным признаком является способ приема и выдачи данных. По этому признаку различают:

–параллельные (статические): прием и выдача слов производятся по всем разрядам одновременно);

–последовательные (сдвигающие): слова принимаются и выдаются разряд за разрядом, перемещение слов по разрядной сетке выполняется по тактовому сигналу;

–параллельно-последовательные: имеют входы-выходы последовательного и параллельного типа. Имеются варианты с последовательным входом и параллельным выходом (SIPO, Serial Input – Parallel Output), параллельным входом и последовательным выходом (PISO, Parallel Input – Serial Output), а также варианты с возможностью любого сочетания способов приема и выдачи слов.

Общими для разрядов регистров обычно являются цепи тактирования, сброса/установки, разрешения выхода или приема, т. е. цепи управления.

Регистр, реализующий функцию сдвига, может быть нереверсивным (с однонаправленным сдвигом) или реверсивным (с возможностью сдвига в обоих направлениях). Направление сдвига в регистре – не геометрическое понятие и определяется сдвигом в сторону старших или младших разрядов. Варианты реализации функции сдвига приведены на рис. 5.1.

В сдвигающих регистрах, не имеющих логических элементов в межразрядных связях, нельзя применять одноступенчатые триггеры, управляемые уровнем, поскольку некоторые триггеры могут за время действия разрешающего уровня синхросигнала переключиться неоднократно, что недопустимо для последовательного соединения: слово или его часть могут сместиться по

32

В качестве базовых элементов использовать соответствующие примитивы библиотеки САПР Quartus II.

Часть 2. Предлагается разработать многофункциональный регистр на базе D-триггеров. Условное графическое обозначение (УГО) многофункционального регистра приведено на рис. 5.2.

В зависимости от реализуемых операций в

Для реализации асинхронного сброса триггера – сброса, не связанного с тактовым сигналом, следует использовать соответствующие входы CLRN примитива D-триггера DFF. Синхронный сброс, который переводит триггер в состояние «сброс» только на активном фронте тактового сигнала, может быть реализован как часть комбинационной логики, генерирующей входные данные на входе D-триггера.

Варианты заданий приведены в табл. 5.2, а выполняемые микрооперации – в табл. 5.3.

34

В каждом варианте предполагается реализация четырех микроопераций. Кодирование выполняется самостоятельно, код формируется на входах S0, S1 многофункционального регистра.

Последовательность выполнения работы

Часть 1:

1.Создать проект, с использованием средств графического редактора подготовить схему регистра в соответствии с заданием.

2.Компилировать проект, исправить ошибки, если они есть.

3.Выполнить функциональное моделирование проекта, обеспечив полный перебор возможных значений входных сигналов, убедиться в правильности работы схемы.

4.Выполнить временное моделирование, проанализировать полученную временную диаграмму, оценить максимальную частоту работы регистра на основании временных параметров комбинационной логики.

Часть 2:

1.Разработать схему многофункционального регистра в соответствии с заданием.

2.Создать проект с использованием средств графического редактора, ввести в него подготовленную схему многофункционального регистра. Компилировать проект, исправить ошибки, если они есть.

35

3.Выполнить функциональное моделирование проекта, обеспечив полный перебор возможных значений входных управляющих сигналов, убедиться в правильности работы схемы.

4.Скорректировать схему проекта, обеспечив понижение частоты входного тактового сигнала с помощью специально добавленного счетчика таким образом, чтобы можно было комфортно наблюдать работу регистра при выполнении сдвигов. Проверить работу схемы на макетной плате. Данные, загружаемые в регистр, и код микрооперации формировать на движковых переключателях. Результаты работы проекта наблюдать на светодиодной линейке.

Содержание отчета

Отчет по первой части работы должен содержать:

1.Спроектированную функциональную схему регистра, оформленную с учетом требований ГОСТ.

2.Схемный файл проекта с обоснованием выбора используемых прими-

тивов.

3.Временные диаграммы, полученные в ходе функционального и временного моделирования, результаты их анализа.

Отчет по второй части работы должен содержать:

1.Описание процесса проектирования схемы многофункционального регистра, его функциональную схему, оформленную с учетом требований ГОСТ, и условное графическое обозначение с учетом реализуемых.

2.Схемный файл проекта.

3.Временные диаграммы, полученные в ходе функционального моделирования проекта.

4.Описание процесса макетирования.

36

Лабораторная работа 6

ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЕЙ ТАКТОВЫХ СИГНАЛОВ

Цель работы – исследовать особенности функционирования распределителей тактовых сигналов, построенных на сдвигающих регистрах и счетчиках Джонсона.

Краткие теоретические сведения

Распределители тактовых сигналов (РТС) или счетчики в коде «1 из N», формируют импульсные последовательности с заданными временными диаграммами. Для получения таких последовательностей период формируемой временной диаграммы разбивается на части («кванты»), соответствующие минимальному временному интервалу, с использованием задающего генератора с частотой, равной m/Т, где m – число «квантов» в периоде диаграммы Т. Далее выходные импульсы задающего генератора распределяются во времени и пространстве так, что каждый «квант» появляется в свое время и в своем пространственном канале.

РТС на n выходных каналов легко строится на сдвигающем n-разрядном регистре, замкнутом в кольцо. Для работы распределителя необходимо предварительно занести в регистр слово, содержащее одну единицу. При сдвигах единица перемещается с одного выхода на другой, циркулируя в кольце. Недостаток схемы – возможные нарушения функционирования при сбое. Если в силу каких-либо причин слово в регистре исказится, то возникшая ошибка станет постоянной. Схема не обладает свойством самовосстановления.

Возможны варианты РТС с самовосстановлением работы на кольцевом регистре. Схема такого распределителя с самовосстановлением за несколько тактов основана на том, что на вход регистра подаются нули, пока в нем имеется хотя бы одна единица. Таким образом, лишние возникшие единицы будут устранены. Когда регистр очистится, сформируется сигнал записи единицы на его входе. Таким образом, потеря единственной единицы будет исключена, а выход логического элемента, выполняющего самовосстановление схемы, образует еще один дополнительный канал.

Распределители на кольцевых регистрах находят применение при малом числе выходных каналов. Достоинством распределителей на кольцевых регистрах является отсутствие в их структуре дешифраторов и, как следствие,

37

высокое быстродействие (задержка перехода в новое состояние равна времени переключения триггера).

Альтернативный подход к построению РТС основан на использовании перекрестной обратной связи (счетчик Джонсона, счетчик Мебиуса, счетчик Ли- бау–Крейга). Счетчики Джонсона осуществляют счет в коде Джонсона. Состояния счетчика представлены в табл. 6.1.

состояний 2n. Вариант реализации счетчика приведен на рис. 6.1. Для получения нечетного числа состояний в схему дополнительно вводят связь, показанную на рисунке штриховой линией. При возникновении в счетчике комбинации 0111 на выходе элемента ИЛИ-НЕ появится логический нуль и счетчик перейдет в состояние 1110, т. е. исключается

Первое слагаемое отражает перекрестную обратную связь, а второе – обеспечивает самовосстановление.

Вариант счетчика Джонсона, схема которого приведена на рис. 6.2, также обладает свойством самовосстановления.

38

Рис. 6.3. Дешифратор кода Джонсона

Принцип дешифрации состоит в выявлении положения характерной координаты временной диаграммы – границы между зонами единиц и нулей. Эти границы соответствуют закрашенным ячейкам табл. 6.1.

Задания на лабораторную работу

Часть 1. Синтезировать на основе имеющихся в библиотеке САПР Quartus II примитивов распределитель тактовых сигналов на основе сдвигающего регистра в соответствии с заданием, приведенным во второй строке табл. 6.2. Расшифровка вариантов: первая цифра – количество выходных каналов, вторая: 1 – циркуляция единицы, 0 – циркуляция нуля.

39

Таблица 6.2

Часть 2. Используя примитивы САПР Quartus II, синтезировать РТС на основе счетчика Джонсона в соответствии с заданием, приведенным в третьей строке табл. 6.2.

Расшифровка вариантов: первая цифра: количество выходных каналов; вторая цифра: 1 – циркуляция единицы, 0 – циркуляция нуля; третья цифра: 1 – счетчик без восстановления, 2 – с самовосстановлением с перекрестной обратной связью по выражению (6.1), 3 – с самовосстановлением, реализованным с дополнительным триггером.

Последовательность выполнения работы

1.Разработать функциональную схему РТС на основе сдвигающего регистра с самовосстановлением после сбоя в соответствии с заданием.

2.Подготовить проект в САПР Quartus II, реализовать схему РТС.

3.Выполнить функциональное моделирование схемы, убедиться в правильности ее работы.

4.Повторить пп. 1–3 для РТС на основе счетчика Джонсона.

5.Добавить в проект счетчик понижающий частоту тактового сигнала. Выполнить компиляцию. Назначить контакты ПЛИС.

6.Загрузить проект на плату, наблюдать работу устройства в автоколебательном режиме.

Содержание отчета

1.Функциональные схемы РТС на основе сдвигающего регистра и счетчика Джонсона, оформленные с учетом требований ГОСТ.

2.Схемные файлы САПР Quartus II для обоих вариантов реализации РТС.

3.Временные диаграммы, полученные в ходе функционального моделирования спроектированных устройств.

4.Описание процесса макетирования РТС на основе счетчика Джонсона.

5.Выводы по работе.

40